劉進(jìn) 羅仁江 楊勇(中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠，重慶 401120)

0 引言

在工業(yè)中，交流電機(jī)廣泛應(yīng)用于水泵、風(fēng)機(jī)、機(jī)床、壓縮機(jī)等領(lǐng)域。近年來，隨著新能源的推廣，在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等應(yīng)用中，交流電機(jī)也起到越來越重要的作用。隨著交流電機(jī)應(yīng)用的推廣，在其運(yùn)行維護(hù)上投入的成本也越來越多。電機(jī)故障不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損害，威脅生產(chǎn)的安全進(jìn)行，而且電機(jī)故障帶來的額外停工時(shí)間也會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，發(fā)展故障診斷和監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

在交流電機(jī)故障中，常見故障類型包括定子故障、軸故障和轉(zhuǎn)子故障，而交流電機(jī)定子繞組絕緣故障占比達(dá)30%～40%。交流電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中電壓波動(dòng)、頻繁啟動(dòng)、停機(jī)產(chǎn)生的過電壓等，會(huì)引起繞組之間出現(xiàn)放電和爬電現(xiàn)象，從而降低繞組絕緣性能。因此對繞組絕緣強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，提前預(yù)判定子繞組絕緣故障，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性檢修，逐漸成為連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的問題。

1 絕緣在線監(jiān)測技術(shù)工作原理

1.1 工作原理

將開關(guān)柜內(nèi)斷路器和接地刀閘常閉輔助觸點(diǎn)接入主控單元，信號(hào)監(jiān)測單元采集高壓斷路器和接地刀閘輔助觸點(diǎn)(常閉)狀態(tài)，當(dāng)控制器檢測到斷路器和接地刀閘常閉觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，控制器測量回路電源接通，延時(shí)15分鐘后，控制器發(fā)出檢測命令，通過直流信號(hào)發(fā)出器，在定子繞組和地之間注入直流電壓2500V，測量在電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生的泄漏電流，得出不同時(shí)段交流電機(jī)定子繞組的絕緣電阻值，通過分析第15秒和第1分鐘時(shí)的絕緣電阻比值，計(jì)算出吸收比；通過分析第1分鐘和第10分鐘時(shí)的絕緣電阻比值，計(jì)算出極化指數(shù)，最終在控制器上顯示電機(jī)絕緣值、極化指數(shù)、吸收比等參數(shù)。通過與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行對比，從而判斷交流電機(jī)定子繞組絕緣介質(zhì)水平，提前發(fā)現(xiàn)定子繞組絕緣降低故障。測試結(jié)束后，裝置對地放電，保證設(shè)備本質(zhì)安全。如果在測試狀態(tài)下，現(xiàn)場電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，控制器檢測到斷路器或接地刀閘常閉觸點(diǎn)狀態(tài)變?yōu)槌ｉ_，立即發(fā)出命令，斷開真空接觸器和測試信號(hào)，自動(dòng)放電，不影響電機(jī)正常啟運(yùn)，如圖1所示。

圖1 絕緣安全保護(hù)裝置接線圖

1.2 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)組成

絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集單元、本地服務(wù)器和監(jiān)控平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集單元由信號(hào)單元、帶電傳感器、單級(jí)交流真空接觸器、主控單元和監(jiān)控系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測裝置安裝在10kV開關(guān)柜中，監(jiān)控電機(jī)的絕緣值、吸收比、極化指數(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)既可以在主控單元上就地直觀顯示和故障報(bào)警，也可以通過光纖將采集的數(shù)據(jù)傳輸至本地服務(wù)器，在本地服務(wù)器中建立數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)每次測試數(shù)據(jù)，形成歷史數(shù)據(jù)庫。通過儀表DCS組態(tài)，可以在工程師站上實(shí)時(shí)顯示每臺(tái)交流電機(jī)的生命值數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以建立歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、交流電機(jī)定子繞組絕緣值曲線圖和絕緣介質(zhì)曲線圖，疊加兩種曲線，結(jié)合大數(shù)據(jù)庫，評(píng)估交流電機(jī)剩余壽命，如圖2所示。

圖2 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)組成

2 應(yīng)用實(shí)踐

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

天然氣凈化廠循環(huán)水泵交流電機(jī)凈化裝置大，高壓交流電機(jī)數(shù)量多，自投入運(yùn)行以來，先后多次發(fā)生交流電機(jī)定子繞組絕緣故障，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中因絕緣降低易引起相間拉弧放電，出現(xiàn)過嚴(yán)重短路故障，造成了系統(tǒng)電網(wǎng)波動(dòng)，影響裝置正常生產(chǎn)。尤其是循環(huán)水系統(tǒng)水泵電機(jī)長期運(yùn)行于潮濕環(huán)境中，每年大修檢查時(shí)均發(fā)現(xiàn)定子繞組中存在電暈現(xiàn)象。

10kV電機(jī)故障主要包括機(jī)械故障和絕緣故障，投產(chǎn)以來，累計(jì)發(fā)生故障12次電機(jī)故障。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，電機(jī)繞組故障占高壓電機(jī)故障58%，尤其是循環(huán)水泵電機(jī)繞組故障，投產(chǎn)以來累計(jì)出現(xiàn)過4次繞組絕緣不合格現(xiàn)象，其中一次還造成10kV系統(tǒng)電壓波動(dòng)，凈化裝置動(dòng)設(shè)備閃停。

2.2 存在問題

現(xiàn)有高壓電機(jī)繞組絕緣檢測手段主要每年大修檢維修中心調(diào)試班人員打開電機(jī)接線盒對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一次全面檢測，使用機(jī)械式兆歐表測量電動(dòng)機(jī)繞組絕緣，從而判斷電動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)。使用機(jī)械式兆歐表只能對繞組絕緣進(jìn)行定性，不能精確測量反應(yīng)繞組的重要參數(shù)(極化指數(shù)和吸收比)，同時(shí)還不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線連續(xù)監(jiān)測。

現(xiàn)有監(jiān)測高壓電機(jī)繞組絕緣方式主要存在以下缺點(diǎn)。

(1)故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，后果較為嚴(yán)重，例如循環(huán)水泵P-3101B繞組絕緣過低，出現(xiàn)短路接地故障，引發(fā)10kV系統(tǒng)電壓波動(dòng)，導(dǎo)致48臺(tái)低壓設(shè)備停運(yùn)，影響裝置正常生產(chǎn)。

(2)根據(jù)管理制度要求開展人工檢測，檢測次數(shù)少，不能實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組絕緣在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。

(3)人工檢測，檢維修人員需要進(jìn)行停電、隔離和驗(yàn)電操作，反復(fù)打開電機(jī)接線盒，拆接電機(jī)接線柱，工作量大，操作程序復(fù)雜繁瑣，同時(shí)，可能存在損壞電機(jī)接線柱風(fēng)險(xiǎn)。

(4)檢測時(shí)人員進(jìn)入到空間受限的高壓開關(guān)柜線纜室內(nèi)開展檢測作業(yè)，存在觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 新技術(shù)應(yīng)用

將真空接觸器、帶電傳感器和信號(hào)發(fā)生器安裝在現(xiàn)有10kV開關(guān)柜線纜室，將主控單元安裝在10kV開關(guān)柜二次室，從電機(jī)加熱回路取220VAC電源作為控制器電源，通過10kV真空斷路器和接地刀閘輔助觸點(diǎn)控制主控單元檢測回路電源接通。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測交流電機(jī)定子繞組絕緣狀況(如圖3所示)，在循環(huán)水泵電機(jī)配電柜中引入了絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，將檢測設(shè)備接入其中任意一相出線電纜中，在系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，采用單次測量方式對電機(jī)回路絕緣進(jìn)行檢測，通過主控單元就地顯示電機(jī)的絕緣電阻值、吸收比和極化指數(shù)。在安裝調(diào)試過程中就發(fā)現(xiàn)了循環(huán)水泵電機(jī)絕緣過低，通過人工檢測對比，檢查發(fā)現(xiàn)因接線盒受潮導(dǎo)致電機(jī)回路絕緣過低，不能繼續(xù)使用，需要做絕緣加強(qiáng)處理，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性檢修，有效避免了損失進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖3 電機(jī)繞組絕緣監(jiān)測趨勢圖

2.4 取得的成果

與使用兆歐表人工檢測電機(jī)繞組絕緣相比，在線檢測方法省去了停送電操作、打開電機(jī)接線盒，拆除高壓電纜等繁瑣的操作步驟，檢測時(shí)間大大縮短。目前檢測頻次每年由人工檢測的4次增加到48次，同時(shí)可以根據(jù)需要自行調(diào)整檢測頻次。采用絕緣在線監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組絕緣自動(dòng)檢測，提升了電氣設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)測水平，不僅增加檢測頻次，同時(shí)還降低了檢測勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了人工檢測成本。通過實(shí)施電機(jī)繞組絕緣在線監(jiān)測，技術(shù)管理人員可以通過數(shù)據(jù)分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣降低趨勢和實(shí)時(shí)絕緣值，提前預(yù)警，提醒技術(shù)管理人員及時(shí)安排電機(jī)維護(hù)保養(yǎng)，將故障消除在萌芽狀態(tài)，防止故障擴(kuò)大，發(fā)展成為短路或接地故障，從而引發(fā)10kV系統(tǒng)電壓波動(dòng)。保證溶液循環(huán)泵等主要?jiǎng)釉O(shè)備安全長周期運(yùn)行，避免凈化裝置聯(lián)鎖停車，原料氣放空，確保川渝兩地安全平穩(wěn)供氣。

2.5 遺留問題

接下來，計(jì)劃將所有10kV交流電機(jī)絕緣監(jiān)測裝置采集到數(shù)據(jù)上傳至本地物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組態(tài)顯示，同時(shí)在手機(jī)APP中顯示，利用絕緣在線監(jiān)測裝置可以監(jiān)測每臺(tái)電機(jī)的絕緣值、吸收比、極化指數(shù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成電機(jī)繞組絕緣、吸收比和極化指數(shù)趨勢圖，技術(shù)管理人員可以根據(jù)趨勢圖判斷電機(jī)絕緣狀態(tài)和絕緣介質(zhì)老化程度，通過與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比較，分析判斷交流電機(jī)絕緣狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)絕緣低于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，推送報(bào)警信息，提醒技術(shù)管理人員安排檢修，實(shí)現(xiàn)了故障提前預(yù)警和預(yù)防性檢修的目的。絕緣在線監(jiān)測裝置投入運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)主控單元通訊模塊穩(wěn)定性較差。目前，一共有3套設(shè)備主控單元因控制板散熱不良，出現(xiàn)了通訊中斷故障，技術(shù)人員將與設(shè)備廠家溝通交流，共同解決通訊模塊穩(wěn)定性問題。

3 結(jié)語

交流電機(jī)繞組絕緣在線監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)定子繞組絕緣實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，克服了過去使用傳統(tǒng)機(jī)械式兆歐表進(jìn)行人工檢測的繁瑣程序，可以有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提供了更為及時(shí)、準(zhǔn)確、真實(shí)、針對性更強(qiáng)的智能化電氣設(shè)備檢測手段，對提高電力設(shè)備運(yùn)行安全水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)交流電機(jī)繞組故障隱患，保障凈化裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，避免非計(jì)劃性停車有著積極的作用。隨著云技術(shù)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，絕緣監(jiān)測技術(shù)發(fā)展已進(jìn)入新時(shí)代，檢測設(shè)備更智能化、小型化，不僅僅局限于單一設(shè)備檢測，而是能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)絕緣在線實(shí)時(shí)檢測、故障預(yù)警和定位，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)共享，利用大數(shù)據(jù)分析絕緣監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升絕緣監(jiān)測技術(shù)可靠性，真正實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備預(yù)防性檢修。